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1 平成 19 年度 修士論文 非駆動車輪を用いたいた四足四足ロボットロボットの移動 A Study on the Four Legs Robot Using the Non-Driving Wheels 指導教員芝田京子准教授副指導教員井上喜雄教授 高知工科大学大学院工学研究科 基盤工学専攻博士課程 ( 前期 ) 知能機械システム工学コース 鷹尾陽介

2 - 目次 - 第 1 章序論... 1 第 章ローラーウォーク....1 原理.... 特徴....3 スライド運動... 3 第 3 章シミュレーション 数値計算 上下運動を交えたえたローラーウォーク シミュレーション シミュレーション シミュレーション シミュレーション シミュレーション シミュレーション シミュレーション 考察 第 4 章実験装置概要 TITAN-Ⅷ の仕様 TITAN-Ⅷ の脚機構脚機構と座標系 可動角度範囲 足先位置の算出法 第 5 章実験 実験概要 実験結果 実験 実験 実験 考察... 1 第 6 章旋回運動 パターン パターン 考察... 6 第 7 章結論... 7 謝辞... 8 参考文献... 9

3 第 1 章序論 近年, 高い技術の発達により, 人間と共生する事が可能なロボットが開発されている. そのため, 人間との共生空間で考えられる様々な状況に対応していかなければならない. その 1 つとして人間との歩行速度の違いが挙げられる. 四足歩行ロボットの歩行速度は人間の歩行速度に比べてはるかに遅い. そこで, 移動速度の向上を図るため, 車輪を搭載し, モード切替により歩行モード以外に, 車輪による移動が可能な機構について検討する. しかし, 車輪走行のために, 駆動系を有する車輪を足先に搭載すると, 機構が複雑になると同時に, 脚部品の重量が増すという課題が残る. その点を考慮し, 駆動車輪を必要とせず, 非駆動車輪で走行可能な ローラーウォーク (1) と呼ばれる方法を用いる. 先行研究 (1) によりローラーウォークを用いての前進運動が可能となっているので, 本研究では, 前進時のさらなる速度向上を計るため, ロボットの上下運動を加えることを考え, シミュレーションによる検討及び実験機を用いた実験を行う. また, ロボットをさらに自由に移動させるために, 前進運動に加え, 旋回運動を可能とする制御の検討を行った. 1

4 第 章ローラーウォーク (1).1 原理 原理 ローラーウォークの原理はローラスケートと同様である. つまり, 歩行運動を行うための駆動系を使用し車輪を地面に対してスライド運動させ, そのとき発生した摩擦力を利用し推進力を得る移動法である. このとき, スライドさせる方向や車輪の向きによって, 得られる推進力は推進方向に対して正にも負にも変化し, 総合的に正の推進力が大きいため推進が可能となっている. 図.1 に車輪に発生する力を示す. スライド運動をさせたとき, 車輪に対して接線方向の力 Ft と法線方向の力 Fn が発生する. この つの力の推進方向である Y 方向成分を推力として用いる. このとき,X 方向に発生する力は左右の脚で打ち消しあうと考えられるので無視するものとする. 図.1 車輪に発生する力. 特徴 特徴 ローラーウォークの特徴として以下のことが挙げられる. ローラーウォークを行うための駆動力は, 歩行のための駆動自由度から供給され, 歩行機械に余分な駆動自由度を付加する必要がない. また, 走行に必要な推力を摩擦力から得るため, 駆動系を有する車輪を使用する必要が無く, 非駆動車輪を付加するだけで走行可能なため, 脚部品の必要以上の重量増加を回避することが可能である.

5 .3 スライド運動 車輪を地面に対してスライド運動させるとき, 推進方向に対して車輪を傾けてスライドさせる必要がある. そこで, 肩の回転角度 θ(t) と足の伸び縮み d(t) を組み合わせ周期的に動かすことによってスライド運動を行う. このとき, 図. に示す軌跡でスライド運動を行った場合, 足を伸ばすことによって推進力を得た分だけ足を縮めるとき逆向きの推進力を発生させ, 前進した距離と同じだけ後退してしまう結果となる. そこで, 推進方向に対して正の推進力と負の推進力の割合を変更した軌跡を図.3 に示す. 円軌道を描くことによって正の推進力の割合を増加し, 負の推進力の割合を減少することによって推進方向への移動を可能としている. このとき, 肩の回転角度 θ(t) と足の伸び縮み d(t) の式が以下である. d ( t) π 3 = doffset + d0 sin t + π + 1 T (.1) θ π T 3 ( t) = θ sin + π + φ 0 t (.) ここで,doffset=0.5[m],d0=0.05[m],φ=π/ とする. 今後,(.1),(.) 式の θ0,t を変化させることによってローラーウォーク時の車輪の軌 跡を決定する. 図. スライド運動 ( 往復 ) 図.3 スライド運動 ( 円軌道 ) 3

6 第 3 章シミュレーション 3.1 数値計算 スライド運動を行ったときに発生する車輪に対して接線方向の力と法線方向の力 Ft,Fn はそれぞれ以下の式で表される. F t F n { V cosθ ( t) + d( t) & θ ( t) } W = sign µ t 4 C { V cosθ ( t) + d( t) & θ ( t) } { V sinθ ( t) + d& ( t) } W = sign µ n 4 (3.1) (3.) ここで, ロボットの自重 W = 30[kg], 車輪の転がり方向の摩擦係数 μt = 0.01, 減衰 C =5.5, 車輪の軸方向の摩擦係数 μn = 0.1 とする. この計算で得られた力の推進方向成分から加速 度を計算した式が以下である. ( F sin θ ( t) + F cosθ ( t) ) 4 t n a = W 計算で得られた加速度から速度を算出する. (3.3) 4

7 3. 上下運動を交えたえたローラーウォーク推進速度を向上させるために, 推進方向の加速度に着目し, 推進方向の加速度が正のとき,.3 節で述べた (.1),(.) 式の W が増加するように上下運動による慣性力をプラスし, 推進方向への加速度を増加させる. 逆に推進方向の加速度が負のとき,W が減少するように上下運動を行い, 推進方向の負の加速度を減少させる. このときの計算式が以下である. F t W { ( ) ( ) ( )} ( az ) V cosθ t + d t & θ t = sign µ C W az Fn = sign V sinθ ( t) + d& ( t) µ n (3.5) 4 ローラーウォークを開始し, 足先を 1 周させ初期位置に戻るまでを 1 サイクルとし, そのときの推進方向の加速度を図 3.1 に示す. このとき,(.1),(.) 式における各値は, d0=0.05[m],θ0=-0.5[rad],t=[s],φ=π/ とする. 図より 1 サイクルの間に加速度の加減が 回あることが分かる. t 4 { V cosθ ( t) + d( t) & θ ( t) } { } ( ) (3.4) 図 3.1 推進方向への加速度これを踏まえ,1 サイクルで 回周期的に上下運動を行う式が以下である. 4 π ( ) (3.6) z t = zoffset + z0 cos t φ Tz ここで,zoffset=(0.1+z0)[m],Tz=T とし,z0 を変化させることによって速度の変化を調べる. 5

8 3.3 シミュレーション前節までで述べた,(.1),(.) 式のθ0,T によってローラーウォークを決定し,(3.6) 式の z0 を変更することにより上下運動による速度変化をみるためシミュレーションを行った. このシミュレーションは Microsoft Visual Basic 6.0 を用いて行うこととする シミュレーション 1 θ0=-0.3[rad],t=[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 加速度と速度の変化を調べた結果が図 3.,3.3 である. また, 表 3.1 は z0を変更したときの平均速度である. 図 3. 速度変化 6

9 図 3.3 加速度変化表 3.1 θ0=-0.3[rad],t=[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

10 3.3. シミュレーション θ0=-0.35[rad],t=[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 速度と加速度の変化を調べた結果が図 3.4,3.5 である. また, 表 3. は z0を変更したときの平均速度である. 図 3.4 速度変化 図 3.5 加速度変化表 3. θ0=-0.35[rad],t=[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

11 3.3.3 シミュレーション 3 θ0=-0.375[rad],t=[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 加速度と速度の変化を調べた結果が図 3.6,3.7 である. また, 表 3.3 は z0を変更したときの平均速度である. 図 3.6 速度変化 図 3.7 加速度変化表 3.3 θ0=-0.375[rad],t=[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

12 3.3.4 シミュレーション 4 θ0=-0.3[rad],t=3[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 加速度と速度の変化を調べた結果が図 3.8,3.9 である. また, 表 3.4 は z0を変更したときの平均速度である. 図 3.8 速度変化 図 3.9 加速度変化表 3.4 θ0=-0.3[rad],t=3[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

13 3.3.5 シミュレーション 5 θ0=-0.35[rad],t=3[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 加速度と速度の変化を調べた結果が図 3.10,3.11 である. また, 表 3.5 は z0を変更したときの平均速度である. 図 3.10 速度変化 図 3.11 加速度変化表 3.5 θ0=-0.5[rad],t=3[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

14 3.3.6 シミュレーション 6 θ0=-0.3[rad],t=4[s] としてローラーウォークを行い,z0 を 0[m],0.005[m],0.01[m], 0.03[m],0.05[m] と変化させ, 加速度と速度の変化を調べた結果が図 3.1,3.13 である. また, 表 3.6 は z0を変更したときの平均速度である. 図 3.1 速度変化 図 3.13 加速度変化 表 3.6 θ0=-0.3[rad],t=4[s] での平均速度 z 0 [m] V[m/s]

15 3.4 考察 考察図 3.11 においてローラーウォークが定常状態 ( 速度が一定の値から上がらなくなる状態 ) となると加速度が発散していることが分かる. これは力計算時の摩擦や減衰の値が関係していると考えられる.T=3[s] 時において,θ0 の値を-0.35[rad] より大きくすると加速度の発散が大きくなるのでシミュレーションを省略する.T=4[s] 時においてもθ0 を-0.3[rad] 以上にすると同様であるため省略する. これまでのシミュレーション結果から, 肩の回転角度 θ0が同じ場合, 回転周期 T が小さいほど速度が速いことが分かる. これは,T が小さいほど車輪をスライドさせる速度が速くなるため, 車輪の転がり速度が上昇し 定常状態時の限界速度が向上したと考えられる. 次に,z0 の値が大きいほど速度が増加していることが分かる. これは加速度の図を見れば分かるように, 上下運動によって得られた慣性力が推進方向への加速度が正のとき, 加速度を増加させ, 負のとき減少させているからだと考えられる. また,z0 の値が大きいほど加速度をより増加させていることが, 速度の増加量の大きさに繋がっていると考えられる. これらのことから上下運動による速度向上が可能であることがシミュレーション上で分かった. 13

16 第 4 章実験装置概要 4.1 TITAN-Ⅷの仕様 仕様本研究で使用した四足歩行ロボットは東京精工株式会社製の汎用四足歩行ロボット TITAN-Ⅷである. 図 4.1 に示すように TITAN-Ⅷの関節には, それぞれ1つのモータとモータドライバがあり, 駆動を行う. 本来は図 4.1 のように四足部分のみであるが, 本研究で使用した TITAN-Ⅷは図 4. のように制御用ボード等のコンピュータを実装させている. さらに, ローラーウォークを実現するための機構として,TITAN-Ⅷの足首をピンジョイントとし, その先に車輪を つ取り付けた板を搭載する ( 図 4.3). 図 4.1 従来の TITAN-Ⅷ 図 4. 本研究使用の TITAN-Ⅷ 表 4.1 TITAN-Ⅷ の仕様 寸法 [m] 脚数 4 自由度 各脚 3 自由度 全重量 7 [kg] 制御用各ボードを含む ( 積載重量 = 7 [kg] ) 0.3 [m/s] (β=0.75) 歩行速度 0.9 [m/s] (β=0.5) 限度 β: デューティー比 図 4.3 車輪部 14

17 4. TITAN-Ⅷの脚機構脚機構と座標系 TITAN-Ⅷの脚機構を図 4.4 に示す.TITAN-Ⅷの脚機構は, 各脚に 3 関節ある.TITAN- Ⅷの胴体側から第 1 関節, 第 関節, 第 3 関節である. この脚機構の自由度は, 第, 第 3 関節が鉛直方向と横方向との平面 自由度機構であり, 第 1 関節はそれ全体を進行方向に回転させる機構の 3 自由度で全て構成されている. 各脚のリンクは全て,L1=45mm, L=155mm,L3=43mm である. 図 4.4 TITAN-Ⅷの脚機構 TITAN-Ⅷの座標系は図 4.5 に示すとおりである.TITAN-Ⅷの進行方向を Y 方向, 進行方向に対して垂直な方向を X 方向とし,TITAN-Ⅷ の鉛直方向を Z 方向とするグローバル座標系を持つ. また,TITAN-Ⅷの四本の脚は各脚 3 自由度である. また, 各脚にローカル座標系の原点を持ち,Leg.1 は本体重心位置から X 方向に-100mm,Y 方向に+00mm の位置に脚座標系の原点がある.Leg. は本体重心位置から X 方向に+100mm,Y 方向に+ 00mm の位置に脚座標系の原点がある.Leg.3 は本体重心位置から X 方向に +100mm,Y 方向に -00mm の位置に脚座標系の原点がある.Leg.4 は本体重心位置から X 方向に - 100mm,Y 方向に -00mm の位置に脚座標系の原点がある. 図 4.5 TITAN-Ⅷ の座標 15

18 可動角度範囲可動角度範囲可動角度範囲可動角度範囲 TITAN-Ⅷ の脚機構における各関節の可動角度範囲を図 4.6 に示す. 図 4.6 可動角度範囲 4.4 足先位置足先位置足先位置足先位置の算出法算出法算出法算出法 TITAN-Ⅷ の制御では, 与えられた軌道計画より歩容を考慮して指令脚先位置を決定している. その後, 指令脚先位置から脚機構が持つ 3 つの関節に対して, 角度指令に変換する. その変換に逆運動学が使用され指令角度が算出されている. 以下にその式を示す. 各変数については, 図 4.4 に準ずる. (4.1) (4.) (4.3) X Y θ 1 = arctan ± ± = cos cos arccos Z L X L Z L X L L θ θ π θ θ ± = cos cos arccos cos arctan Z L X L Z L X L L L X Z θ θ θ θ

19 第 5 章実験 5.1 実験概要 TITAN-Ⅷの両足首部, 両膝部, 体中央部の計 5 箇所にマーカーを取り付け ( 図 5.1), Motion Analysis 社製 3 次元動作解析システムを用いてモーションキャプチャし, ローラーウォーク時の動きを解析する. ローラーウォークにおいて,θ0 は 0.3[rad] と固定し,T を [s],3[s],4[s] の 3 パターン, それぞれ z0を 0[m],0.03[m],0.05[m] の 3 パターンの計 9 パターンで初期位置から 3 サイクルの動作を解析した. 図 5.1 マーカー取り付け部 17

20 5. 実験結果 5..1 実験 1 T=[s] とし,z0を変更することによって速度 加速度がどのように変化するかを調べる. このときの速度の変化を図 5. に加速度の変化を図 5.3 に 3 サイクルでの平均速度を表 5.1 に示す. 図 5. 速度変化 図 5.3 加速度変化表 5.1 平均速度 z 0 [m] V[m/s]

21 5.. 実験 T=3[s] とし,z0を変更することによって速度 加速度がどのように変化するかを調べる. このときの速度の変化を図 5.4 に加速度の変化を図 5.5 に 3 サイクルでの平均速度を表 5. に示す. 図 5.4 速度変化 図 5.5 加速度変化表 5. 平均速度 z 0 [m] V[m/s]

22 5..3 実験 3 T=4[s] とし,z0を変更することによって速度 加速度がどのように変化するかを調べる. このときの速度の変化を図 5.6 に加速度の変化を図 5.7 に 3 サイクルでの平均速度を表 5.3 に示す. 図 5.6 速度変化 図 5.7 加速度変化表 5.3 平均速度 z 0 [m] V[m/s]

23 5.3 考察 考察どの実験においても最後は速度が下がっている. これはモーションキャプチャの測定範囲の都合上,3 サイクルでローラーウォークを終了するので, 脚を止めているため, 速度が下がる結果となっている. これまでの実験結果から z0=0.03 において上下運動による速度の増加が確認された. しかし,z0=0.05 においては速度が減少してしまう結果となった. これは,TITAN 本体の重量を持ち上げるための脚部モータが力不足であるためだと思われる. 脚を伸ばした状態で機体を持ち上げるために扱う力によってエネルギーのロスが発生し, 上下運動で発生させた力よりロスのほうが大きくなった結果, 本来のローラーウォークより低速での移動となったと考えられる. 表 5.4, 図 5.9 はシミュレーションと実験での平均速度を表したものである. 図よりシミュレーションでの値は実際の値よりかなり遅い速度であることが分かる. これは, シミュレーションでの環境と実際の環境では摩擦係数などでずれが出てくるためだと思われる. また, 回転周期 T が少ないほうが速い速度でのローラーウォークが可能であることはシミュレーションも実際の結果でも同様である. しかし, 車輪部を高速で動かすことになるため脚部への負担は大きくなるという欠点が考えられる. 表 5.4 各値での平均速度 グラフ番号 T [s] 3 4 z 0 [m/s] シミュレーション V [m/s] 実験 V [m/s] 図 5.9 全体の平均速度 1

24 第 6 章旋回運動 前進運動に旋回運動を交えることにより, ローラーウォーク時においてより自由に移動が可能となると考えられる. そこで, 前進運動と旋回運動を交える手始めとして, その場においての旋回 ( 超信地旋回 ) (3) を可能とする制御方法を考え, パターンの旋回法を考案し, 3 サイクル動かし計測した. 6.1 パターン 1 1 つ目の旋回法は図 6.1 のように左右で逆向きに推進することによって, 旋回方向への推進力を得る方法である.θ0=-0.3[rad], 上下運動を考えないものとして, 実験を行ったときの旋回角度を図 6., 角速度を図 6.3 に示す. 図 6.1 旋回時の推進力 図 6. 旋回角度

25 図 6.3 旋回角速度 6. パターン つ目の旋回法は図 6.4 のように, 脚を四方に出し, 円を描くように推進力を発生させる方法である. 各脚をθopだけ外に開きその状態で左右逆向きの推進力を発生させ旋回運動を行う.θ0=-0.3, 上下運動を考えないものとして,θop を 0.4[rad],1.0[rad] の 種類を計測した.θop=0.4[rad] のときの旋回角度を図 6.5, 角速度を図 6.6,θop=1.0[rad] のときの旋回速度を図 6.7, 角速度を図 6.8 に示す. 図 6.4 旋回時の推進力 3

26 図 6.5 旋回角度 (θop=0.4[rad]) 図 6.6 旋回角速度 (θop=0.4[rad]) 4

27 図 6.7 旋回角度 (θop=1.0[rad]) 図 6.8 旋回角速度 (θop=1.0[rad]) 5

28 6.3 考察 考察図 6. を見ると 3 サイクルで約 0.35[rad] 旋回を行った結果となっているが, ローラーウォークによる旋回を行ったのではなく, 脚の伸び縮みによって旋回を行った状態になったので成功しているとは言えない結果となった. 脚の伸び縮み以外では旋回方向にはほぼ動くことなく, その場で脚を動かすだけとなった. これは, 旋回方向に対して車輪の向きが推進方向へ推進可能な車輪とブレーキとなる車輪があるため 推進方向への推進力を打ち消しあってしまい, 結果として旋回が難しくなっていると考えられる. 図 6.5,6.7 を見るとθop が大きいと旋回距離が大きいことが分かる. これは旋回時の安定性の差が原因だと考えられる. 図 6.6 と図 6.8 より旋回時に発生する角速度はどちらもほぼ変わらないことが分かる. しかし, 図 6.5,6.7 を見ると図 6.5 は旋回するまでに時間がかかるが, 図 6.7 は最初から安定した旋回を行っている. このことから,θop が大きいほど安定した先回ができることが分かった. しかし,TITAN 本体の肩可動角度に制限があるため, これ以上大きくすることはできない. よって, 旋回速度や旋回距離を向上させる場合はθ0などのローラーウォークパラメータを操作する必要がある. 6

29 第 7 章結論 本研究ではローラーウォーク時に上下運動を付加させることによって走行時の速度向上が可能かどうかを確認するためシミュレーションおよび実験機による実験を行った. また, ローラーウォーク時にさらに自由な移動を行わせるために前進運動と旋回運動を組み合わせる方法を提案し, その前段階として旋回運動の制御法を考案及び実験機による旋回実験を行った. 上下運動に関しては, シミュレーションによって上下運動を組み込むことによって, 前進時の速度が向上することが確認できた. このとき, 上下運動が大きいほうが前進時における速度の上昇が大きいことが分かった. また, ローラーウォーク時の車輪の回転周期が小さいほうが前進時の速度が速くなることも分かった. 実験機を用いた上下運動の実験において, 全 9 パターンでの実験を行った. その結果, 上下運動を用いての前進速度の向上が確認できた. しかし, 上下運動が大きいほど速度が向上するわけではなく, 上下運動が大きすぎると速度が減少してしまう結果となった. またシミュレーションと同様, 車輪の回転周期が小さいほうが速い速度での移動が可能であることが分かった. 旋回運動に関しては, 超信地旋回が可能となった. また, 旋回時の肩開き角度 θop を変化させることによって旋回時における安定性に変化が起きることが分かった. 7

30 謝辞本研究を行うにあたり, 終始懇切なるご指導賜りました高知工科大学大学教授井上喜雄教授に謹んで深甚の感謝の意を表します. そして, 指導教員の高知工科大学芝田京子准教授には暖かいご支援と貴重なご助言を賜りました. 深く感謝の意を表します. また, 一緒に研究を進め貴重なご助言を頂いた森澤正隆氏に深く感謝の意を表します. また, 研究を進める中での貴重な意見やご助言を頂きました助手の中浜昌文博士には深く感謝の意を表します. また, 同じ研究室の皆さんには深く感謝の意を示します. そして研究のサポートをして頂いた皆さんに多大なご協力を賜りました. この場を借りて厚く御礼申し上げます. 8

31 参考文献 (1) 広瀬茂男 竹内裕喜, ローラウォーカ : 新しい脚 - 車輪ハイブリッド移動体の提案, 日本機械学会論文集 (C 編 )6 巻 559 号 (1996-7), 論文 No ,P4-48. () 遠藤玄 広瀬茂男, ローラーウォーカーに関する研究第 5 報 : 旋回ローラーウォークとシステムの自立化, ロボティクス メカトロニクス講演会 99 予稿集 (1999)p. (3) 遠藤玄 広瀬茂男, ローラーウォーカーに関する研究第 6 報 : 旋回ローラーウォークの最適化, ロボティクス メカトロニクス講演会 Vol.000 p.100 9

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